碳纳米管材料：前景无限的新型材料

碳纳米管

碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料，在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男发现。它的主体由六边形碳环构成，可以说是单层石墨六边形网络卷曲形成的无缝中空管。

目前在工业上常用的增强型纤维中，其强度的关键因素为长径比，即长度和直径的比例。一般来讲，材料工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，将碳纳米管组合起来，比同体积的钢强度高100倍，质量只有钢的1/6，因此被称为“超强纤维”。

碳纳米管是一种绝好的纤维材料，具有碳纤维的固有性质，强度及韧性均远优于其他纤维材料。碳纳米管的圆柱形碳分子具有优良的导热性能、力学性能和电学性能，可以说是兼有金属和半导体的性能。这使他们在纳米技术领域、半导体领域、电子领域、光学和材料科学等领域具有极大的潜力。

碳纳米管的碳分子

按照石墨层数分类，碳纳米管可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。单壁碳纳米管的拉伸强度很高，延伸率可以达到20%，在对其施加压力时，它不会发生断裂，而是发生弯曲然后打卷成麻花状物体，当外力释放后碳纳米管仍可恢复原状。

单壁碳纳米管（左）和多壁碳纳米管（右）

研究表明，在ABS材料中加入2.5%的碳纳米管，可形成一种全新的多壁碳纳米管线材，打印出的物品强度比传统的ABS材料更高。比如ESD碳纳米管长丝，是由100%纯ABS树脂掺入多壁碳纳米管制成的。ESD碳纳米管长丝与聚合物经过掺杂后，可以形成一种具有良好导电性能的新型复合材料。基于这种材料的3D打印产品已广泛应用在电子器件、通信器件、医疗器械、军工、航天航空等领域中。

基于碳纳米管复合材料制作的3D打印线材（图片来源：Avante）

碳纳米管传感器（CNS）是一种十分有用的电子元件，能够集成到许多小型电子产品中，比如各类交互式设备。但目前，它却有着许多缺点，比如造价较高（尤其是大批量生产）、只能在坚硬的表面生成，很难嵌入到小物体中--这些都极大限制了它的应用范围。2016年，耶路撒冷希伯来大学的科学家们利用喷墨3D打印技术成功制备出了碳纳米管传感器（CNS），而由于材料和空间利用率都非常高，成本明显低于当前的其它方法。

利用喷墨3D打印技术成功制备出的CNS

这种新方法不但在常温下就能实施，还十分灵活，能轻松将碳纳米管打印到柔性表面上，而这正是制造CNS的关键。CNS可以嵌入到各类机械部件中，令它们获得感知自身状况的额能力，而这对于交互电子产品和探测器（如辐射探测器）来说十分重要。虽然研究者们并未透露更多相关信息，但他们表示，这种方法可轻松规模化，而且能用于任意的柔性表面，甚至是汽车和建筑物。

碳纳米管应用

1．集成电路

2005年，国际半导体技术路线图委员会首次明确地指出，在2020年前后硅基的CMOS技术将达到性能极限，这意味着后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋紧迫了。用碳纳米管材料替换掉传统的硅片，是一个解决的路径。在2011年12月中旬的IEE电子设备会议上，IBM的科学家向全世界展示了全球第一个小于10纳米的晶体管，并在随后的2012年1月公布了具体尺寸—9纳米。

与目前的硅晶体管不同的是，IBM采用的是碳纳米管材料，并成功在单个芯片上集成了上万个晶体管。虽与传统的硅材料在晶体管数量上暂时还有差距，但其较小的体积和较轻的质量优势明显。

2016年11月，IBM公开了碳纳米管的生产技术。利用这项技术可以制造出有史以来性能最强大的微型晶片，为微芯片皮下注射和可折叠电脑提供了可能。

基于碳纳米管材料制成的集成电路

2.储存/硬盘

现有的电脑在断电后会丢失未存储内容，而硬盘读取速度则太慢。将来，基于碳纳米管的存储器将解决这个问题。它除了储存容量巨大，读写速度快（为普通闪存的1000倍），内容不丢失的优势，它的功耗更低，更具可靠性与耐用性，生产成本也更低。

3.电池

现有电池的配方当中含有高达96%-98%的活性物质。因此，通过碳纳米管技术改善活性物质，进而增强电池能量密度成为了可能。

近来表现最突出的是单壁碳纳米管（SWC-NT），一种特殊的导电添加剂。它能在低浓度时就形成导电网络，区区0.001%的浓度即可增加导电性，具有在未来5到10年内将现有电池的能量密度增加60%的潜力。

4．医疗

牛津大学的研究团队首次将X射线荧光光谱分析（XRF）中的造影剂封进比头发还细5万倍的碳纳米管当中进行成像。

造影剂是介入放射学中常用的药物之一，通常被注入人体组织或器官后用于增强放射成型，由于多为非生物的化学制品，对人体有一定伤害。运用碳纳米管技术的造影剂将不再对人体产生伤害，造影成像也更为清晰。

5.生物传感器

来自麻省理工学院的工程师最近设计了一种新型传感器，首次实现对由单个细胞分泌的单个蛋白分子的检测。

这些传感器由经过化学改性的碳纳米管组成，当激光照射时，碳纳米管会自发地发出荧光。

研究人员在碳纳米管上涂覆DNA、蛋白质或者其他可以结合特定靶标的分子。当这些分子与靶向结合时，人们能够观测到碳纳米管的荧光变化。

用黄色捕获剂处理的碳纳米管可以与紫色靶蛋白结合并检测紫色靶蛋白-这改变了纳米管的电阻并产生了感测装置。（图片来源：俄勒冈州立大学）

6.纳米机器人

由于碳纳米管的体积非常小，医生可以向人体血液里注射碳纳米管机器人来治疗心脏病。

一个皮下注射器能够装入上百万个这样的机器人。它们会自动识别沉积在动脉血管壁上的胆固醇或者病毒等目标物，将其打碎或者消灭，使之成为废物通过肾脏排出，起到治愈的作用。

7.导电塑料

碳纳米管能够被均匀地扩散到塑料中，可获得强度更高并具备导电性能的材料。

这一技术可用于静电喷涂和静电消除材料等领域—高档汽车塑料零件在采用这种材料后，可以用普通塑料取代原有的工程塑料，简化了制造工艺，降低了成本，并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件。

8. 电磁干扰屏蔽、隐形材料

碳纳米管可以用于制造能对雷达实现隐身的飞行器表面的复合材料。原理是，通过吸收雷达波，可在雷电中减少损害并顺利通过。

此外，它还可以用于制造机翼、机身、机舵和其他组件。更绝的是，它耐高温、耐高热和阻燃等特性，使之成为高速导弹表面材料的应用选择。

利用碳纳米管制造的隐形飞机的表面材料

创新也会面临很大的阻力。材料科学的企业因为很难得到产业的支持，因此很难拓展开。新材料在没有找到特定应用或市场还尚未开拓时，往往不能实现量产。比如碳纳米管的价格高昂，很难普及开来。如果在应用拓展和产能增加求得平衡，是材料科学面临的一大难题。

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